CN108592944B - 一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法 - Google Patents

一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用掺铒光纤光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法，涉及光纤陀螺领域，由于光纤陀螺的标度因数主要受光纤环和平均波长两个因素的影响，标度因数误差的大小直接影响陀螺的导航精度，变温标度因数是评价陀螺性能的一个重要指标。本发明选用平均波长随温度呈正相关变化的光源补偿光纤陀螺标度因数的温度性能，通过掺铒光纤光源光路与电路的设计，对该光源进行温度测试并观察其温度相关性，将平均波长随温度呈正相关的光源安装到光纤陀螺上进行陀螺的标度因数温度稳定性测试。通过本发明提出的方法最终得到补偿后稳定性较好的光纤陀螺变温标度因数，为实现高精度光纤陀螺有着重要作用。

Description

一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺领域，具体涉及一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法。
背景技术
陀螺仪作为惯性导航系统的核心器件，其精度和稳定性影响着惯性导航系统的性能。光纤陀螺以其小体积、高性价比、精度适用范围广、无运动部件等优点，目前在中低精度的陀螺应用领域中得到了广泛地使用。光纤陀螺的主要器件有光源、耦合器、Y波导、光纤环、探测器，其中光纤环对温度的变化最为敏感，导致光纤陀螺的输出受温度影响较大，造成陀螺温度误差。由于光纤陀螺的标度因数主要受光纤环和平均波长两个因素的影响，在全温范围内应用的光纤陀螺，标度因数误差的大小直接影响陀螺的导航精度，光纤陀螺的变温标度因数是评价光纤陀螺性能的一个重要指标，标度因数的测试精度在导航应用中具有重要意义。
干涉型光纤陀螺的旋转测量精度取决于光学标度因数的稳定性，Sagnac相移表示为：
Figure BDA0001605881740000011
其中，Ω为旋转速率，c为真空中光速，L和D分别为光纤环的总长度和直径，
Figure BDA0001605881740000012
为光源的平均波长，标度因数是Sagnac相移与旋转角速率之间的比例因子，表示为：
Figure BDA0001605881740000013
K为陀螺的光学标度因数，光纤陀螺仪的旋转测量精度由标度因数决定的，标度因数K的稳定与否直接影响光纤陀螺测量的精度，最终影响惯性导航系统的解算。
高精度惯性导航系统对由温度引起的光纤陀螺标度因数变化指标提出了很高的要求，采用温度补偿技术是一种提升标度因数性能的有效方法。温度变化会引起光源平均波长以及光纤环尺寸的变化，从而引起光纤陀螺标度因数的变化，从机理上消除温度带来的标度因数变化难度大、成本高。传统观念认为标度因数的稳定性可以通过提高光源平均波长的稳定性来提高，即选用平均波长热稳定性较好的掺铒光纤光源，然而，掺铒光纤光源百摄氏度(-40℃～+60℃)范围内很难实现较高的平均波长热稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法。该方法通过制备平均波长随温度呈正相关变化的掺铒光纤光源来补偿光纤陀螺变温标度因数的不稳定。泵浦激光二极管的泵浦波长、泵浦功率、传输光的偏振态、掺铒光纤的温度特性、输出端反馈光监测光电二极管及无源光器件的性能均会受温度的影响，上述变化会引起光源输出光平均波长的改变。本发明就是提出通过掺铒光纤光源的平均波长随温度变化的正相关性来补偿光纤陀螺的变温标度因数，优化陀螺在-40℃～+60℃温度范围内的标度因数变化。
一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法，其特征在于包括以下几个步骤：
步骤一：调试光源电路部分；其调试顺序依次为：电源模块调试，温度控制模块调试，泵浦激光二极管驱动模块及系统控制模块调试与光反馈控制模块调试。每个模块调试完成后，将光源电路板安装固定在光源机械结构内，将泵浦源焊接到电路板上，其底部与光源机械结构的热沉紧贴，通过仿真器向控制器内写入数字控制量，数字控制量的大小代表泵浦源的出光功率；
步骤二：搭建光源光路部分；根据设计好的光路结构搭建光源光路部分，该光源光路选择双程后向结构光路，包括974nm泵浦源、980/1550nm波分复用器、掺铒光纤、隔离器、增益平坦滤波器、法拉第旋转镜，将选好的无源光器件按顺序依次焊接好放置在光源机械结构的光器件槽内固定，预留出一段输出尾纤以便后续的测试；
步骤三：将步骤一和步骤二搭建的成型光源进行温度性能测试；光源温度性能测试包括：平均波长热稳定性、功率稳定性、带宽、平坦度四个方面的测试。将掺铒光纤光源放置到高低温温箱内，并将输出端的尾纤与光源的供电线引出，光源供电采用外接+5V直流电源供电，同时设置该电源的最大输出电流为3A，打开电源，温箱内光源的指示灯正常工作。关闭温箱门并启动光谱仪，设置光谱的起止范围为1520nm到1570nm，通过GPIB接口可以将光谱仪采集到的光谱数据实时的发送到PC机的采数软件上，将光源输出端尾纤进行处理后，通过光纤适配器接到光谱分析仪的输入接口，启动PC机的光谱采数软件，设置采数时间，并将采集到的数据保存到本发明指定的文件夹内；
步骤四：在温箱的程序设定中设置温度历程，温度首先由常温升高到+60℃保温2小时，使光源或者光纤陀螺内部的温度均匀，再以1℃/min的速率将温度降至-40℃，该过程将持续1小时40分钟，在-40℃温度点处保持2小时，随后继续升温至+60℃保持2小时，设置升温速率与降温速率相同，最后将温箱内的温度恢复至常温，温度程序设定完成后启动温箱；
步骤五：光源温度性能实验结束后，将步骤四采集到的变温光谱数据通过作图软件进行处理，将数据用作图软件进行数据处理，平均波长为光谱范围内每个点波长点对应功率谱密度的加权平均，即
Figure BDA0001605881740000021
其中P(λi)为每个波长点λi对应的功率谱密度，画出平均波长随温度的变化趋势，并计算出百摄氏度平均波长的热稳定性，其公式为：
Figure BDA0001605881740000031
其中
Figure BDA0001605881740000032
分别为平均波长在整个温度历程中的最大值与最小值，保存数据；
步骤六：利用不同工作原理的光无源器件及不同性能的泵浦源，在同样的测试条件下重复步骤一到五，选出平均波长随温度呈正相关变化的掺铒光纤光源；
步骤七：将平均波长随温度呈正相关变化的光源安装固定到光纤陀螺上，掺铒光纤光源的输出端接光纤陀螺的一分三耦合器的输入端，一分三耦合器的三端口输出是将光源的输出光平分给陀螺的三个轴，光源的+5V供电由光纤陀螺上的+5V电压转换模块提供。将该陀螺放置到带有独立地基单轴转台的温箱内，并用螺丝固定防止转台转动时引起陀螺位置的变化。陀螺的数据信号线与陀螺的供电通过单轴转台上的滑环引出，该滑环负责旋转体即转台转动时与外部的连通、传输陀螺数据信号与电信号。转台上的滑环接口负责传输陀螺的数据信号与电压信号，陀螺所需的24V电压通过220V标准电压转换得到。将转台上的接口与陀螺的接口连接后，检查转台周围后关紧温箱门；
步骤八：将转台上滑环引出的另一端的接口与陀螺采数线接口连接后，陀螺采数线的另一端接到高速隔离转换器的输入端，转换器连接到电脑主机的串口，串口一方面负责转换器的供电，另一方面负责将陀螺输出数据发送到上位机，接通220V电源，此时陀螺与光源上的指示灯均正常工作；
步骤九：启动转台控制仪，设置转台模式为速率模式，并输入转台的匀速转动速率为10°/s，参考步骤四后启动温箱；
步骤十：打开陀螺采数软件并设置采数时间，实验结束后将数据通过作图软件进行处理，得出补偿后平均波长随温度呈正相关的光源导致的陀螺的变温标度因数的变化。
本发明的优点和有益效果是：
采用提高掺铒光纤光源平均波长稳定性的方法实现难度较大，而且成本较高。本发明在光源稳定性较好且不采用光纤环温度补偿的情况下，利用掺铒光纤光源的温度特性补偿光纤陀螺的变温标度因数稳定性，大大提高了光纤陀螺的性能指标。本发明方法简单，不仅节约了成本还有利于光纤陀螺的高精度发展。
附图说明
图1是掺铒光纤光源整体结构框图；
图2是光源双程后向结构图；
图3是本发明采用的温度曲线图；
图4是掺铒光纤光源平均波长随温度呈正相关变化的曲线图；
图5是掺铒光纤光源平均波长随温度呈负相关变化的曲线图；
图6是补偿前的光纤陀螺变温标度因数变化图；
图7是补偿后的光纤陀螺变温标度因数变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明为一种利用掺铒光纤光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法，本发明的技术方案具体如下：
请参阅图1，为本发明提供的掺铒光纤光源整体结构框图，分为电路部分、光路部分和光电转换部分组成，其中电路部分由系统控制模块、电源模块、温度控制模块、泵浦激光二极管驱动模块、反馈控制模块组成，电源模块是整个电路部分正常工作的基础，本光源电路板需要三种电压：+5V、-5V、+3.3V，其中+5V为大多数芯片所需供电，-5V为运算放大器所需电压，+3.3V为控制器所需电压；系统控制模块产生控制信号来维持温控模块与LD驱动模块的正常工作；温控模块为LD驱动模块的正常工作提供保证；LD驱动模块控制泵浦源输出980nm的泵浦光。
参阅图2，其中LD为泵浦发光二极管，Feedback为反馈信号，EDF为掺铒光纤，OUT为输出，WDM为波分复用器，OSA为光谱分析仪，ISO为隔离器，LPGF为增益平坦器，Coupler为耦合器，FRM为法拉第旋转镜；980nm的泵浦光经过980/1550nm的波分复用器后到达掺铒光纤进行抽运，980nm的光将基态的铒离子抽运到亚稳态并产生1550nm的超荧光，一部分1550nm的光经掺铒光纤另一端散射出去，另一部分1550nm的光再次到达980/1550nm波分复用器后依次经过隔离器、增益平坦滤波器作为输出光输出，其中隔离器可以防止光源内部形成激光并消除光纤陀螺反馈信号引起的光源不稳定，增益平坦滤波器可以吸收1530nm与1560nm处的能量、平坦谱型。
本发明选取平均波长随温度呈正、负相关变化的两种类型光源，其变化趋势如图4、图5所示，平均波长随温度呈正、负相关变化的现象由不同光路无源器件的温度性能及光电器件的温度性能决定，并分别依次在同一个光纤陀螺上进行标度因数的温度测试，除了光源不同以外，其他测试条件均相同。
具体实验过程操作过程如下：
步骤一：将掺铒光纤光源放置到高低温温箱内，并将输出端的尾纤与光源的供电线引出，光源供电采用外接+5V直流电源供电，同时设置该电源的最大输出电流为3A，打开电源，温箱内光源的指示灯正常工作。关闭温箱门并启动光谱仪，设置光谱的起止范围为1520nm到1570nm，通过GPIB接口可以将光谱仪采集到的光谱数据实时的发送到PC机的采数软件上，将光源输出端尾纤进行处理后，通过光纤适配器接到光谱分析仪的输入接口，启动PC机的光谱采数软件，设置采数时间，并将采集到的数据保存到本发明指定的文件夹内；
步骤二：在温箱的程序设定中设置温度历程，请参阅图3，温度首先由常温升高到+60℃保温2小时，使光源或者光纤陀螺内部的温度均匀，再以1℃/min的速率将温度降至-40℃，该过程将持续1小时40分钟，在-40℃温度点处保持2小时，随后继续升温至+60℃保持2小时，设置升温速率与降温速率相同，最后将温箱内的温度恢复至常温，温度程序设定完成后启动温箱；
步骤三：光源温度性能实验结束后，将数据用作图软件进行数据处理，平均波长为光谱范围内每个点波长点对应功率谱密度的加权平均，即，其中为每个波长点对应的功率谱密度，画出平均波长随温度的变化趋势，并计算出百摄氏度平均波长的热稳定性即，其中、分别为平均波长在整个温度历程中的最大值与最小值，保存数据；
步骤四：选用不同的掺铒光纤光源重复实验过程步骤一到三，选出平均波长随温度呈正相关变化的掺铒光纤光源，请参阅图4；
步骤五：将平均波长随温度呈正相关变化的光源安装固定到光纤陀螺上，掺铒光纤光源的输出端接光纤陀螺的一分三耦合器的输入端，一分三耦合器的三端口输出是将光源的输出光平分给陀螺的三个轴，光源的+5V供电由光纤陀螺上的+5V电压转换模块提供。将该陀螺放置到带有独立地基单轴转台的温箱内，并用螺丝固定防止转台转动时引起陀螺位置的变化。陀螺的数据信号线与陀螺的供电通过单轴转台上的滑环引出，该滑环负责旋转体即转台转动时与外部的连通、传输陀螺数据信号与电信号。转台上的滑环接口负责传输陀螺的数据信号与电压信号，陀螺所需的24V电压通过220V标准电压转换得到。将转台上的接口与陀螺的接口连接后，检查转台周围后关紧温箱门；
步骤六：将转台上滑环引出的另一端的接口与陀螺采数线接口连接后，陀螺采数线的另一端接到高速隔离转换器的输入端，转换器连接到电脑主机的串口，串口一方面负责转换器的供电，另一方面负责将陀螺输出数据发送到上位机，接通220V电源，此时陀螺与光源上的指示灯均正常工作；
步骤七：启动转台控制仪，设置转台模式为速率模式，并输入转台的匀速转动速率为10°/s，参考步骤二后启动温箱；
步骤八：打开陀螺采数软件并设置采数时间，实验结束后将数据通过作图软件进行处理，得出补偿后平均波长随温度呈正相关的光源导致的陀螺的变温标度因数的变化，请参阅图7；
采用本发明提出的一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标因数的方法，使光纤陀螺变温标度因数的稳定性得到一定程度的提高。如图4、图5所示，随温度呈正、负相关变化的两种类型的掺铒光纤光源其平均波长稳定性均分别为1.8ppm/℃、2.3ppm/℃。与图6中没有经过平均波长随温度呈正相关性光源补偿的光纤陀螺变温标度因数相比较，补偿后光纤陀螺的变温标度因数变化由950ppm降低到如图7所示的698ppm，提高了光纤陀螺百摄氏度范围内的变温标度因数稳定性。
以上所述的具体实施方式与具体实验过程操作用来解释说明本发明，仅为本发明提出的较佳的实施例而已，而不是对本发明进行限制，应当指出，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等等，均应该包含在本发明的保护范围之内。对于本技术领域的人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，还可以提出若干的改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用光源的温度特性补偿光纤陀螺变温标度因数的方法，其特征在于包括以下几个步骤：
步骤一：调试光源电路部分；其调试顺序依次为：电源模块调试，温度控制模块调试，泵浦激光二极管驱动模块及系统控制模块调试与光反馈控制模块调试；每个模块调试完成后，将光源电路板安装固定在光源机械结构内，将泵浦源焊接到电路板上，其底部与光源机械结构的热沉紧贴，通过仿真器向控制器内写入数字控制量，数字控制量的大小代表泵浦源的出光功率；
步骤二：搭建光源光路部分；根据设计好的光路结构搭建光源光路部分，该光源光路选择双程后向结构光路，包括974nm泵浦源、980/1550nm波分复用器、掺铒光纤、隔离器、增益平坦滤波器、法拉第旋转镜，将选好的无源光器件按顺序依次焊接好放置在光源机械结构的光器件槽内固定，预留出一段输出尾纤以便后续的测试；
步骤三：将步骤一和步骤二搭建的成型掺铒光纤光源进行温度性能测试；掺铒光纤光源温度性能测试包括：平均波长热稳定性、功率稳定性、带宽、平坦度四个方面的测试；将掺铒光纤光源放置到高低温温箱内，并将输出端的尾纤与掺铒光纤光源的供电线引出，掺铒光纤光源供电采用外接+5V直流电源供电，同时设置该电源的最大输出电流为3A，打开电源，温箱内掺铒光纤光源的指示灯正常工作；关闭温箱门并启动光谱仪，设置光谱的起止范围为1520nm到1570nm，通过GPIB接口将光谱仪采集到的光谱数据实时的发送到PC机的采数软件上，将掺铒光纤光源输出端尾纤进行处理后，通过光纤适配器接到光谱分析仪的输入接口，启动PC机的光谱采数软件，设置采数时间，并将采集到的数据保存到指定的文件夹内；
步骤四：在温箱的程序设定中设置温度历程，温度首先由常温升高到+60℃保温2小时，使掺铒光纤光源或者光纤陀螺内部的温度均匀，再以1℃/min的速率将温度降至-40℃，该降温过程将持续1小时40分钟，在-40℃温度点处保持2小时，随后继续升温至+60℃保持2小时，设置升温速率与降温速率相同，最后将温箱内的温度恢复至常温，温度程序设定完成后启动温箱；
步骤五：光源温度性能实验结束后，将步骤四采集到的变温光谱数据通过作图软件进行处理，将数据用作图软件进行数据处理，平均波长为光谱范围内每个波长点对应功率谱密度的加权平均，即
Figure FDA0002988734690000011
其中P(λi)为每个波长点λi对应的功率谱密度，画出平均波长随温度的变化趋势，并计算出百摄氏度平均波长的热稳定性，其公式为：
Figure FDA0002988734690000012
其中
Figure FDA0002988734690000013
分别为平均波长在整个温度历程中的最大值与最小值，保存数据；
步骤六：利用不同工作原理的光无源器件及不同性能的泵浦源，在同样的测试条件下重复步骤一到五，选出平均波长随温度呈正相关变化的掺铒光纤光源；
步骤七：将平均波长随温度呈正相关变化的掺铒光纤光源安装固定到光纤陀螺上，掺铒光纤光源的输出端接光纤陀螺的一分三耦合器的输入端，一分三耦合器的三端口输出是将掺铒光纤光源的输出光平分给陀螺的三个轴，掺铒光纤光源的+5V供电由光纤陀螺上的+5V电压转换模块提供；将该陀螺放置到带有独立地基单轴转台的温箱内，并用螺丝固定防止转台转动时引起陀螺位置的变化；陀螺的数据信号线与陀螺的供电通过单轴转台上的滑环引出，该滑环负责旋转体即转台转动时与外部的连通、传输陀螺数据信号与电信号；转台上的滑环接口负责传输陀螺的数据信号与电压信号，陀螺所需的24V电压通过220V标准电压转换得到；将转台上的接口与陀螺的接口连接后，检查转台周围后关紧温箱门；
步骤八：将转台上滑环引出的另一端的接口与陀螺采数线接口连接后，陀螺采数线的另一端接到高速隔离转换器的输入端，高速隔离转换器连接到电脑主机的串口，串口一方面负责高速隔离转换器的供电，另一方面负责将陀螺输出数据发送到上位机，接通220V电源，此时陀螺与掺铒光纤光源上的指示灯均正常工作；
步骤九：启动转台控制仪，设置转台模式为速率模式，并输入转台的匀速转动速率为10°/s，参考步骤四后启动温箱；
步骤十：打开陀螺采数软件并设置采数时间，实验结束后将数据通过作图软件进行处理，得出补偿后平均波长随温度呈正相关的光源导致的陀螺的变温标度因数的变化。
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